DE19623071C2 - Ultraschallwandler - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler mit
einer Piezokeramikscheibe in Radialresonanzbetrieb und mit
einem Ring, der die Piezokeramikscheibe an ihrer Mantelfläche
form- und kraftschlüssig umschließt.
Gattungsgemäße Ultraschallwandler sind durch zahlreiche Ver
öffentlichungen bekannt. In vielen Anwendungsfällen, z. B. bei
Ultraschallsensoren bzw. Näherungsschaltern werden Ultra
schallwandler benötigt, die eine sehr schmale Schallkeulen
charakteristik aufweisen und zugleich sehr kleine Nebenkeu
lenamplituden haben.
Aus der DE 25 41 492 C2 ist ein recht scharfer Ultraschall
wandler in Saturngeometrie bekannt, der bei Ultraschallsen
soren im industriellen Einsatz weit verbreitet ist. Er ist
aufgebaut aus einer Piezokeramikscheibe, einer Anpaßschicht
scheibe und einem konzentrischen Metallring. Durch einen wei
ten Überstand der Anpaßschichtscheibe über den Durchmesser
der Piezokeramikscheibe ist die Fläche der Anpaßschicht groß,
wodurch ein sehr schmaler Öffnungswinkel ϕ der Schallkeule
von 5° erzielt wird. Durch den großen Überstand der Anpaß
schichtscheibe ist es schwierig, die günstige Schwingungs
amplitudenverteilung und Phasenlage über der gesamten Fläche
in der Praxis immer exakt einzuhalten, so daß es zu proble
matischen seitlichen Nebenkeulen kommt.
Aus der DE 42 33 256 C1 ist ein Ultraschallwandler mit runder
Piezokeramikscheibe in Radialresonanz bekannt, der bei gege
benen Abmessungen der Piezokeramikscheibe eine gegenüber der
Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe verringerte
Betriebsfrequenz aufweist. Dies wird durch einen Metallring
erreicht, der die Piezokeramikscheibe form- und kraftschlüs
sig umschließt und vorzugsweise auf die Piezokeramikscheibe
aufgeschrumpft ist. Der aus der Piezokeramikscheibe und dem
Metallring bestehende Verbundkörper bildet einen Radial
schwinger, der sich hinsichtlich seiner Schwingungseigen
schaften wie ein Piezokörper mit größerem Durchmesser und mit
verringerter Frequenz verhält. Durch entsprechende Bemessung
des Metallrings kann die Betriebsfrequenz unterschiedlich
stark verringert werden. An die Stirnfläche des Verbundkör
pers ist eine Anpaßschicht angebracht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall
wandler der obengenannten Art mit hinsichtlich dem Hauptkeu
lenöffnungswinkel und der Unterdrückung von Nebenkeulen ver
besserten Abstrahleigenschaften zu schaffen und insbesondere
einen möglichst schmalen Hauptkeulenöffnungswinkel zu erhal
ten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ring
aus einem Material besteht, dessen Schallgeschwindigkeit
höher ist als die von Aluminium. Dadurch verringert sich die
resultierende Radialresonanzfrequenz des Verbundkörpers aus
Piezokeramikscheibe und Ring entweder weniger als bei Alumi
nium, bleibt gleich oder wird in definierter Weise deutlich
höher als die ursprüngliche Radialresonanzfrequenz der Piezo
keramikscheibe, trotz größerem Durchmesser. Als Konsequenz
erhöht sich für den Verbundkörper, dessen Stirnfläche in der
Regel ungefähr gleich groß wie die Schallabstrahlfläche ist,
das Verhältnis aus Durchmesser der Schallabstrahlfläche und
Wellenlänge der abgestrahlten Ultraschallwelle, die umgekehrt
proportional zur Radialresonanzfrequenz ist. Dadurch können
bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler -3 dB Öffnungs
winkel der Schallkeule bis unter 5° erreicht werden bei
Nebenkeulendämpfungen von ca. -30 dB gegenüber der Hauptkeu
lenamplitude. Die Haupteinflußgröße ist dabei die Longitudi
nalwellengeschwindigkeit des Ringmaterials, während durch die
Variation der geometrischen Abmessungen des Rings in sinnvol
ler und praktikabler Größenordnung die Radialresonanzfrequenz
nur in vergleichsweise engen Grenzen eingestellt werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unter
ansprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an
hand einer Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt ein Schnittbild des erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers 1. Er ist im wesentlichen aus einer
zylindrischen Piezokeramikscheibe 2, einem Ring 3 und einer
Anpaßschicht 4 zusammengesetzt. Der Ring 3 umschließt die
Piezokeramikscheibe 2 an ihrer Mantelfläche form- und kraft
schlüssig, wobei die Verbindung vorzugsweise durch Verklebung
hergestellt wird. Die eine Fläche dieses Verbundkörpers ist
mit der Anpaßschicht 4 versehen, deren Durchmesser etwa
gleich dem Außendurchmesser des Rings entspricht und deren
Dicke etwa einer Viertelwellenlänge der erzeugten Ultra
schallwelle entspricht. Für die Ankopplung des Wellenwider
standes an Luft verwendet man für die Anpaßschicht 4 vorzugs
weise syntaktische Schaumwerkstoffe aus Kunstharz mit Glas
kugeln oder gummiartige Stoffe, wie z. B. Silikone. Durch die
Anpaßschicht wird erreicht, daß die Ultraschallwelle im
wesentlichen nur auf der freien Stirnseite der Anpaßschicht 4
abgestrahlt wird. Die erfinderische Ausprägung besteht in der
Verwendung eines Materials für den Ring 3, dessen Longitudi
nalwellengeschwindigkeit höher ist als die von Aluminium. Man
erhält auf diese Weise eine gegenüber der Piezokeramikscheibe
2 höhere effektive Longitudinalwellengeschwindigkeit des Ver
bundkörpers, so daß sich auch eine erhöhte resultierende
Resonanzfrequenz der Radialschwingungsmode des Verbundkörpers
ergibt, was sich auf die Abstrahleigenschaften des Ultra
schallwandlers 1 günstig auswirkt. Denn hierdurch wird das
Verhältnis von Abstrahlfläche zur Wellenlänge der Ultra
schallwelle größer und damit der Schallkeulenöffnungswinkel
in gewünschter Weise schmäler. Neben der Longitudinalwellen
geschwindigkeit des Rings 3 ist dieser Effekt auch um so
stärker je größer der volumenmäßige Anteil des Rings 3 am
Gesamtvolumen des Verbunds aus der Piezokeramikscheibe 2 und
dem Ring 3 ist. Dies bedeutet, daß sich mit größerem Verhäl
tnis von Außendurchmesser des Rings zu Durchmesser der Piezo
keramikscheibe 2 ein größeres Verhältnis von Abstrahlfläche
zu Wellenlänge ergibt. Untersuchungen ergaben besonders gute
Wandlereigenschaften für Durchmesserverhältnisse im Bereich
von etwa 1,05 bis 3.
Als Material mit hoher Longitudinalwellengeschwindigkeit für
den Ring 3 kommen unter anderem Werkstoffe wie Silizium,
Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder auch Alu
miniumoxid in Frage. Als metallischer Werkstoff eignet sich
besonders Beryllium, dessen Longitudinalwellengeschwindig
keitswert bei ca. 12 600 m/sek liegt. Bestimmte Metalle wie
Titan, spezielle Stahllegierungen, Nickellegierungen wie
Inconel usw. haben ebenso hohe Longitudinalwellengeschwindig
keiten. Eine weitere Werkstoffeigenschaft des Rings 3 ist
seine mechanische Schwinggüte. Eine hohe Schwinggüte ist für
Wandler mit hoher akustischer Empfindlichkeit erforderlich.
Für breitbandige Wandler verwendet man dagegen Werkstoffe mit
niedriger Schwinggüte. Zum Beispiel kann die Piezokeramik
scheibe 2 aus Bleizirkonat-Titanat und der Ring 3 aus kerami
schem Aluminiumoxid bestehen, wofür man bei einem Durchmes
serverhältnis von Außendurchmesser des Rings 3 zum Durchmes
ser der Piezokeramikscheibe 2 von etwa 2 einen Schallkeulen
öffnungswinkel von ca. 5° (Vollwinkel bei -3 dB Schalldruck
abfall) erreicht. Die Nebenkeulendämpfung ist dabei besser
als -30 dB.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung erhält man,
wenn die seitliche Mantelfläche der Anpaßschichtscheibe mit
einer angepaßten Kontur versehen wird, die z. B. aus minde
stens einer Einbuchtung und/oder Ausbuchtung besteht, die
beispielsweise einen runden, dreieckförmigen, rechteckförmi
gen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist. Die angepaßte
Kontur kann einfach auch darin bestehen, daß die seitliche
Mantelfläche der Anpaßschichtscheibe im Querschnitt von
schräger Form mit geradlinigem oder gebogenem Verlauf ist, so
daß die äußere und die innere Grundfläche der Anpaßschicht
unterschiedliche Größe haben. Eine angepaßte Kontur kann sich
auch auf der inneren Grundfläche der Anpaßschicht befinden,
die hier z. B. die Form von konzentrischen Rillen aufweist.
Mit diesen zusätzlichen Maßnahmen können gewünschte Wandler
eigenschaften wie z. B. bestimmte anwendungsangepaßte Schall
keulenformen in gezielter Weise eingestellt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die in
der beigefügten Zeichnung dargestellte Ausführungsform erläu
tert ist, sollte berücksichtigt werden, daß damit nicht beab
sichtigt ist, die Erfindung nur auf die dargestellte Ausfüh
rungsform zu beschränken, sondern alle möglichen Änderungen,
Modifizierungen und äquivalente Anordnungen, soweit sie vom
Inhalt der Patentansprüche gedeckt sind, einzuschließen.
Claims (7)
1. Ultraschallwandler (1) mit einer Piezokeramikscheibe (2)
in Radialresonanzbetrieb, mit einer scheibenförmigen Anpaß
schicht (4) und mit einem Ring (3), der die Piezokeramik
scheibe (2) an ihrer Mantelfläche form- und kraftschlüssig
umschließt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ring (3) aus einem Material besteht, dessen Longi
tudinalwellengeschwindigkeit höher als die von Aluminium ist.
2. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ring (3) aus einem
keramischen Material besteht.
3. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schall
geschwindigkeit des Rings (3) nicht unterhalb der Longi
tudinalwellengeschwindigkeit von Aluminiumoxid liegt.
4. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ring (3) aus Metall
besteht.
5. Ultraschallwandler (1) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbindung zwischen dem Ring (3) und der Piezokeramik
scheibe (2) durch Verklebung besteht.
6. Ultraschallwandler (1) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis von Außen- zu Innendurchmesser des Rings (3)
im Bereich zwischen 1,05 und 3 liegt.
7. Ultraschallwandler (1) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die scheibenförmige Anpaßschicht (4) auf ihrer Mantel
fläche und/oder auf ihrer inneren Grundfläche mit einer an
gepaßten Kontur versehen ist.
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D2 | Grant after examination | ||
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